基于設計思維的專業(yè)課程設計創(chuàng)新教育實踐

錢志平 馬瑞 趙石巖 顧勇飛

摘要：設計思維是一種新型的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念和方法論，文章首先介紹了設計思維的基本理念，提出了基于設計思維的專業(yè)課程設計創(chuàng)新教育方案，學生團隊合作設計、制作原型模具，并利用原型模具試制零件，以測試改進模具設計和加工工藝。經(jīng)過多年實踐，提高了學生綜合應用知識解決復雜工程問題的能力和創(chuàng)新設計能力。

關(guān)鍵詞：設計思維；創(chuàng)新教育；課程設計；實物制作

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）29-0137-02

當前我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)階段，創(chuàng)新驅(qū)動成為社會共識。工程教育質(zhì)量特別是本科生的創(chuàng)新能力，對建設創(chuàng)新型國家起著重要的作用[1]。專業(yè)課程設計是材料成型及控制工程專業(yè)課程體系中，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和工程應用能力的重要實踐環(huán)節(jié)[2]，為激發(fā)學生的自主學習和創(chuàng)新設計動力，對該課程教學進行了改革。

一、設計思維

設計思維是21世紀出現(xiàn)的新的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)教育理念及方法，已成為歐美國家培養(yǎng)學生不可或缺的課程。德國學者認為，設計思維的主要目的是培養(yǎng)創(chuàng)新者，學生的創(chuàng)造性只有通過實踐和創(chuàng)造性思維習慣的培養(yǎng)來獲得[3]。設計思維既教授思維方法，同時又通過特定的實踐，來提升創(chuàng)造性，其理念正在中國高校傳播和接受[4]。

設計思維的核心理念是行動學習和團隊項目式學習。其特征是：跨功能多元團隊、用戶需求原則、視覺化設計、開發(fā)原型、測試并迭代反饋修改模型。

行動學習包含了杜威提出的“做中學”理論以及庫伯的“體驗學習圈”理論等。行動學習認為，知識的學習不是通過講授獲得的，而是通過探索和構(gòu)建具體行動來獲取。學生在行動中思考前行，突破學科和專業(yè)劃分造成的知識碎片化，理論和實踐相結(jié)合，不再是被動的聽眾，而是知識的創(chuàng)造者。

團隊項目學習通過構(gòu)思、探究、設計和實施，以解決實際的特定問題。在這個過程中，學生組成團隊來解決具體問題，完成項目任務，不再是個人行動，而是通過團隊激發(fā)創(chuàng)新思維、開發(fā)創(chuàng)意、驗證操作，并創(chuàng)建某種物理實物。

二、傳統(tǒng)模式不適應創(chuàng)新教育

傳統(tǒng)專業(yè)課程設計教學主要培養(yǎng)學生對金屬板材沖壓模具的設計能力。按照教師給定的沖壓零件，每個學生獨立設計一套用于制造該零件的模具，繪制模具裝配圖。教師根據(jù)學生完成的繪圖質(zhì)量、編寫的設計規(guī)范和說明書以及答辯情況，進行成績評定。該教學模式存在的主要問題如下。

1.創(chuàng)新能力訓練不足。學生針對教師給的沖壓零件進行工藝計算，選定設計方案后，參考相關(guān)模具設計圖冊，進行模具設計。整個設計過程僅僅是圖紙作業(yè)，沒有任何實物制作過程，沒有激發(fā)學生創(chuàng)新思維的環(huán)節(jié)，學生不清楚模具是如何制造的、通過什么方式安裝在壓力機上、在何種條件下能夠生產(chǎn)出合格沖壓零件。

2.可視化程度不夠。在設計過程中，對工藝方案的選定，只能通過手工工藝計算進行簡單的比較，不能充分考慮到材料、摩擦、邊界受力條件等因素的影響，零件成形過程無法直觀地展現(xiàn)出來。學生手工繪圖，模具裝配圖和零件圖均為平面二維圖紙，圖紙中各個零件的具體形狀及相互間的裝配關(guān)系不清晰，直觀性差，整個設計的可視化程度不高。

3.缺乏團隊合作。學生單獨進行設計，過程比較枯燥缺乏趣味性，許多學生不能主動學習，同學間沒有相互協(xié)作、交流問題，產(chǎn)生創(chuàng)新的頭腦風暴現(xiàn)象。而在當代的工業(yè)生產(chǎn)設計中，僅僅靠個人而不是團隊合作，來開發(fā)新產(chǎn)品是無法想象的，這種模式既不利于培養(yǎng)學生的合作溝通能力，也無法獲得創(chuàng)新的靈感。

4.設計的可靠性存疑。用傳統(tǒng)教學方法學生設計的模具，僅有平面二維圖紙，既無法判斷模具裝配時零件相互間是否干涉，模具能否順利安裝在壓力機上，也無法判斷利用模具成形的沖壓零件是否合格，廢料能否順利取出或頂出等。更不要說在此基礎上，進一步地更新完善，整個設計的有效性不能得到驗證。

三、課程設計創(chuàng)新教育實踐

針對以上問題，基于設計思維的理念，提出課程設計要體現(xiàn)以學生為主體、教師為主導的方針，擺脫工程教育理科化的傾向，培養(yǎng)學生綜合應用知識，解決復雜工程問題的能力和創(chuàng)新設計能力。

1.確定項目組織團隊。由骨干教師和專業(yè)實驗室教師組成老、中、青結(jié)合的指導團隊，給出不同形狀尺寸的沖壓零件作為課程設計項目。學生每四人組成團隊項目組，自主選擇題目，合作完成項目，進行如拉深模、彎曲模、復合沖裁模和沖孔翻邊模等設計。

2.文獻研究和數(shù)據(jù)分析。對各自特定的課題項目，到圖書館、上網(wǎng)查閱資料，閱讀相關(guān)文獻。進入專業(yè)實驗室實地觀察各類模具和各種成形設備等，對課題進行初步的數(shù)據(jù)分析計算，考慮如何從用戶的觀點出發(fā)，在諸多因素沖突的情況下，以較小的成本和符合安全性的條件下，開發(fā)出滿足用戶使用要求的模具。

3.成形工藝模擬。在課程設計中加入沖壓成形工藝模擬，針對具體的零件，將專業(yè)知識和計算機仿真技術(shù)相結(jié)合，進行成形工藝模擬。通過有限元軟件模擬計算、動畫演示，可直觀看到?jīng)_壓成形零件變形過程，變形區(qū)的應力應變數(shù)值大小，以及破裂、起皺等成形缺陷的發(fā)生情況。修改成形參數(shù)，如改變成形工藝、摩擦條件、壓邊力大小等，可以便捷地重新進行模擬仿真，通過比較得出優(yōu)化的成形工藝方案。

4.創(chuàng)新設計模具結(jié)構(gòu)。依據(jù)成形工藝，項目組成員討論比較多種結(jié)構(gòu)形式，給出滿足客戶需要的創(chuàng)新型模具結(jié)構(gòu)方案。按照結(jié)構(gòu)方案對模具的各個零件，進行計算機三維實體造型、虛擬裝配，并對裝配好的實體模具進行運動仿真演示，判斷是否出現(xiàn)零件之間運動干涉現(xiàn)象，以及其他設計方面的問題，同時學生可以更清晰理解模具的各組成部分及功能，通過發(fā)現(xiàn)的問題修改完善模具，提高設計質(zhì)量。

5.制作原型模具。對上述設計的模具經(jīng)過指導教師審核后，進行實物加工制造，除外購標準件和原材料外，模具零件的加工主要利用專業(yè)實驗室內(nèi)的設備完成。在這一過程中，項目組學生要進入實驗室全程參與模具的制作，解決制造中出現(xiàn)的問題，必要時修改前面的模具設計。指導教師在實驗室現(xiàn)場觀察，指導但不代替學生決策，充分激發(fā)學生的創(chuàng)造性和自主學習能力。

6.試制沖壓零件。各項目組學生對模具實物零件進行組合裝配，同時利用實驗室下料設備，制得加工課題沖壓零件所需的某形狀金屬板坯料，準備對設計的模具進行生產(chǎn)測試。規(guī)定每個項目組限制在2個小時內(nèi)，至少試制出3個合格的沖壓零件。學生將模具安裝在壓力機上，對壓力機的滑塊位置等參數(shù)進行必要的調(diào)整后，進行沖壓零件試制。制出的零件經(jīng)過測量形狀和尺寸精度后，用塑料薄膜、潤滑油等改善接觸摩擦條件，或改變凸凹模具的間隙、改變壓邊力等影響因素，進一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝條件，制得課題要求的合格沖壓零件。

四、結(jié)語

改革后的專業(yè)課程設計教學，學生要將所學的各種課程知識綜合應用，才能設計制作出實物模具，進而得到合格的沖壓件，這種方式培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維、動手能力和團隊合作精神，從而改變了專業(yè)課程設計由理論計算，到工程圖紙設計的培養(yǎng)模式。經(jīng)過3年的實踐，實現(xiàn)了利用專業(yè)課程設計，培養(yǎng)學生綜合應用知識解決復雜工程問題和創(chuàng)新設計能力的教學改革目標。

參考文獻：

[1]王孫禺，趙自強，雷環(huán).國家創(chuàng)新之路與高等工程教育改革新進程[J].高等工程教育研究，2013，（1）：14-22.

[2]錢志平，馬瑞，金淼，等.基于OBE理念的材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)要求及課程體系構(gòu)建[J].教學研究，2017，40（6）：83-85.

[3]Meinerl H，Leifer C.Design thinking research：building innovators.Springer，2016：1-14.

[4]秦儀，張焱.基于設計思維的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程設計與實踐[J].創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2017，8（4）：63-67.